SCADA系統(tǒng)綜述發(fā)展歷程

二、SCADA系統(tǒng)發(fā)展歷程

SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)，全名為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)自誕生之日起就與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。SCADA系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了三代。

第一代是基于專(zhuān)用計(jì)算機(jī)和專(zhuān)用操作系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)，如電力自動(dòng)化研究院為華北電網(wǎng)開(kāi)發(fā)的SD176系統(tǒng)以及在日本日立公司為我國(guó)鐵道電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的H-80M系統(tǒng)。這一階段是從計(jì)算機(jī)運(yùn)用到SCADA系統(tǒng)時(shí)開(kāi)始到70年代。

第二代是80年代基于通用計(jì)算機(jī)的SCADA系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用VAX等其它計(jì)算機(jī)以及其它通用工作站，操作系統(tǒng)一般是通用的UNIX操作系統(tǒng)。在這一階段，SCADA系統(tǒng)在電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化中與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析，自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）以及網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)合到一起構(gòu)成了EMS系統(tǒng)（能量管理系統(tǒng)）。第一代與第二代SCADA系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是基于集中式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且系統(tǒng)不具有開(kāi)放性，因而系統(tǒng)維護(hù)，升級(jí)以及與其它聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成很大困難。

90年代按照開(kāi)放的原則，基于分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍聯(lián)網(wǎng)的EMS/SCADA系統(tǒng)稱(chēng)為第三代。這一階段是我國(guó)SCADA/EMS系統(tǒng)發(fā)展最快的階段，各種最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)都匯集進(jìn)SCADA/EMS系統(tǒng)中。這一階段也是我國(guó)對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化以及電網(wǎng)建設(shè)投資最大的時(shí)期，國(guó)家計(jì)劃未來(lái)三年內(nèi)投資2700億元改造城鄉(xiāng)電網(wǎng)可見(jiàn)國(guó)家對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化以及電網(wǎng)建設(shè)的重視程度。2100433B

一、SCADA系統(tǒng)概述

由于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CADA的要求不同，所以不同應(yīng)用領(lǐng)域的SCADA系統(tǒng)發(fā)展也不完全相同。

在電力系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟。它作為能量管理系統(tǒng)（EMS系統(tǒng)）的一個(gè)最主要的子系統(tǒng)，有著信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已經(jīng)成為電力調(diào)度不可缺少的工具。它對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益，減輕調(diào)度員的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度自動(dòng)化與現(xiàn)代化，提高調(diào)度的效率和水平中方面有著不可替代的作用。

SCADA在鐵道電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電，提高鐵路運(yùn)輸?shù)恼{(diào)度管理水平起到了很大的作用。在鐵道電氣化SCADA系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，不同時(shí)期有不同的產(chǎn)品，同時(shí)我國(guó)也從國(guó)外引進(jìn)了大量的SCADA產(chǎn)品與設(shè)備，這些都帶動(dòng)了鐵道電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)向更高的目標(biāo)發(fā)展。

SCADA系統(tǒng)說(shuō)明

SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。

由于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CADA的要求不同，所以不同應(yīng)用領(lǐng)域的SCADA系統(tǒng)發(fā)展也不完全相同 。

SCADA系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟。它作為能量管理系統(tǒng)（EMS系統(tǒng)）的一個(gè)最主要的子系統(tǒng)，有著信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已經(jīng)成為電力調(diào)度不可缺少的工具。它對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益，減輕調(diào)度員，實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度自動(dòng)化與現(xiàn)代化，提高調(diào)度的效率和水平方面有著不可替代的作用。

SCADA在鐵道電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電，提高鐵路運(yùn)輸?shù)恼{(diào)度管理水平起到了很大的作用。在鐵道電氣化SCADA系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，不同時(shí)期有不同的產(chǎn)品，同時(shí)我國(guó)也從國(guó)外引進(jìn)了大量的SCADA產(chǎn)品與設(shè)備，這些都帶動(dòng)了鐵道電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)向更高的目標(biāo)發(fā)展。

SCADA系統(tǒng)發(fā)展歷程

SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)，全名為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)自誕生之日起就與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。SCADA系統(tǒng)發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代。

第一代是基于專(zhuān)用計(jì)算機(jī)和專(zhuān)用操作系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)，如電力自動(dòng)化研究院為華北電網(wǎng)開(kāi)發(fā)的SD176系統(tǒng)以及在日本日立公司為我國(guó)鐵道電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的H-80M系統(tǒng)。這一階段是從計(jì)算機(jī)運(yùn)用到SCADA系統(tǒng)時(shí)開(kāi)始到70年代。

第二代是80年代基于通用計(jì)算機(jī)的SCADA系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用VAX等其它計(jì)算機(jī)以及其它通用工作站，操作系統(tǒng)一般是通用的UNIX操作系統(tǒng)。在這一階段，SCADA系統(tǒng)在電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化中與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析，自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）以及網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)合到一起構(gòu)成了EMS系統(tǒng)（能量管理系統(tǒng)）。第一代與第二代SCADA系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是基于集中式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且系統(tǒng)不具有開(kāi)放性，因而系統(tǒng)維護(hù)，升級(jí)以及與其它聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成很大困難。

90年代按照開(kāi)放的原則，基于分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍聯(lián)網(wǎng)的EMS/SCADA系統(tǒng)稱(chēng)為第三代。這一階段是我國(guó)SCADA/EMS系統(tǒng)發(fā)展最快的階段，各種最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)都匯集進(jìn)SCADA/EMS系統(tǒng)中。這一階段也是我國(guó)對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化以及電網(wǎng)建設(shè)投資最大的時(shí)期，國(guó)家計(jì)劃未來(lái)三年內(nèi)投資2700億元改造城鄉(xiāng)電網(wǎng)可見(jiàn)國(guó)家對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化以及電網(wǎng)建設(shè)的重視程度。

第四代SCADA/EMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件已經(jīng)誕生。該系統(tǒng)的主要特征是采用Internet技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及JAVA技術(shù)等技術(shù)，繼續(xù)擴(kuò)大SCADA/EMS系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成，綜合安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的需要。 SCADA系統(tǒng)在電氣化鐵道遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)上已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，應(yīng)用上也有迅猛的發(fā)展。由于電氣化鐵道與電力系統(tǒng)有著不同的特點(diǎn)，在SCADA系統(tǒng)的發(fā)展上與電力系統(tǒng)的道路并不完全一樣。在電氣化鐵道遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上已經(jīng)成熟的產(chǎn)品有由我所自行研制開(kāi)發(fā)的HY200微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)以及由西南交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的DWY微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)性能可靠、功能強(qiáng)大，在保證電氣化鐵道供電安全，提高供電質(zhì)量上起到了重要的作用，對(duì)SCADA系統(tǒng)在鐵道電氣化上的應(yīng)用功不可沒(méi)。

SCADA系統(tǒng)發(fā)展瞻望

SCADA系統(tǒng)在不斷完善，不斷發(fā)展，其技術(shù)進(jìn)步一刻也沒(méi)有停止過(guò)。當(dāng)今，隨著電力系統(tǒng)以及鐵道電氣化系統(tǒng)對(duì)SCADA系統(tǒng)需求的提高以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為SCADA系統(tǒng)提出新的要求，概括地說(shuō)，有以下幾點(diǎn)：

1、SCADA/EMS系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的廣泛集成

SCADA系統(tǒng)是電力系統(tǒng)自動(dòng)化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源，為EMS系統(tǒng)提供大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)在模擬培訓(xùn)系統(tǒng)，MIS系統(tǒng)等系統(tǒng)中都需要用到電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而沒(méi)有這個(gè)電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，所有其它系統(tǒng)都成為“無(wú)源之水”。所以SCADA系統(tǒng)如何與其它非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的連接成為SCADA研究的重要課題；現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)與DTS（調(diào)度員模擬培訓(xùn)系統(tǒng)）、企業(yè)MIS系統(tǒng)的連接。SCADA系統(tǒng)與電能量計(jì)量系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)、水調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、調(diào)度生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)以及辦公自動(dòng)化系統(tǒng)的集成成為SCADA系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。

2、變電所綜合自動(dòng)化

以RTU、微機(jī)保護(hù)裝置為核心，將變電所的控制、信號(hào)、測(cè)量、計(jì)費(fèi)等回路納入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的控制保護(hù)屏，能夠降低變電所的占地面積和設(shè)備投資，提高二次系統(tǒng)的可靠性。變電所的綜合自動(dòng)化已經(jīng)成為有關(guān)方面的研究課題，我國(guó)東方電子等公司已經(jīng)推出相應(yīng)的產(chǎn)品，但在鐵道電氣化上還處于研究階段。

3、專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊決策、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)研究與應(yīng)用

SCADA系統(tǒng)主要有以下部分組成：監(jiān)控計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）、通信基礎(chǔ)設(shè)施、人機(jī)界面（HMI）。

使用SCADA概念可以構(gòu)建大型和小型系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的范圍可以從幾十到幾千個(gè)控制回路，具體取決于應(yīng)用。示例流程包括工業(yè)，基礎(chǔ)設(shè)施和基于設(shè)施的流程，如下所述：

工業(yè)過(guò)程包括制造，過(guò)程控制，發(fā)電，制造和精煉，并可以連續(xù)，間歇，重復(fù)或離散模式運(yùn)行。

基礎(chǔ)設(shè)施過(guò)程可以是公共的或私人的，包括水處理和分配，污水收集和處理，油氣管道，電力輸送和配電以及風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。

設(shè)施流程，包括建筑物，機(jī)場(chǎng)，船舶和空間站。他們監(jiān)視和控制暖氣，通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)（HVAC），通道和能源消耗。

但是，SCADA系統(tǒng)可能存在安全漏洞，因此應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，以識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)和解決方案，以減輕這些風(fēng)險(xiǎn)。

SCADA系統(tǒng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)

這是SCADA系統(tǒng)的核心，收集過(guò)程數(shù)據(jù)并向現(xiàn)場(chǎng)連接的設(shè)備發(fā)送控制命令。 它是指負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)連接控制器通信的計(jì)算機(jī)和軟件，這些現(xiàn)場(chǎng)連接控制器是RTU和PLC，包括運(yùn)行在操作員工作站上的HMI軟件。 在較小的SCADA系統(tǒng)中，監(jiān)控計(jì)算機(jī)可能由一臺(tái)PC組成，在這種情況下，HMI是這臺(tái)計(jì)算機(jī)的一部分。 在大型SCADA系統(tǒng)中，主站可能包含多臺(tái)托管在客戶(hù)端計(jì)算機(jī)上的HMI，多臺(tái)服務(wù)器用于數(shù)據(jù)采集，分布式軟件應(yīng)用程序以及災(zāi)難恢復(fù)站點(diǎn)。 為了提高系統(tǒng)的完整性，多臺(tái)服務(wù)器通常配置成雙冗余或熱備用形式，以便在服務(wù)器出現(xiàn)故障或故障的情況下提供持續(xù)的控制和監(jiān)視。

SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端單元

遠(yuǎn)程終端單元，也稱(chēng)為（RTU），連接到過(guò)程中的傳感器和執(zhí)行器，并與監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。 RTU是“智能I / O”，并且通常具有嵌入式控制功能，例如梯形邏輯，以實(shí)現(xiàn)布爾邏輯操作。

SCADA系統(tǒng)可編程邏輯控制器

也稱(chēng)為PLC，它們連接到過(guò)程中的傳感器和執(zhí)行器，并以與RTU相同的方式聯(lián)網(wǎng)到監(jiān)控系統(tǒng)。 與RTU相比，PLC具有更復(fù)雜的嵌入式控制功能，并且采用一種或多種IEC 61131-3編程語(yǔ)言進(jìn)行編程。 PLC經(jīng)常被用來(lái)代替RTU作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，因?yàn)樗鼈兏?jīng)濟(jì)，多功能，靈活和可配置。

SCADA系統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)施

這將監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接到遠(yuǎn)程終端單元（RTU）和PLC，并且可以使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或制造商專(zhuān)有協(xié)議。 RTU和PLC都使用監(jiān)控系統(tǒng)提供的最后一個(gè)命令，在過(guò)程的近實(shí)時(shí)控制下自主運(yùn)行。 通信網(wǎng)絡(luò)的故障并不一定會(huì)停止工廠(chǎng)的過(guò)程控制，而且在恢復(fù)通信時(shí)，操作員可以繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)視和控制。 一些關(guān)鍵系統(tǒng)將具有雙冗余數(shù)據(jù)高速公路，通常通過(guò)不同的路線(xiàn)進(jìn)行連接。

SCADA系統(tǒng)人機(jī)界面

人機(jī)界面（HMI）是監(jiān)控系統(tǒng)的操作員窗口。它以模擬圖的形式向操作人員提供工廠(chǎng)信息，模擬圖是控制工廠(chǎng)的示意圖，以及報(bào)警和事件記錄頁(yè)面。 HMI連接到SCADA監(jiān)控計(jì)算機(jī)，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以驅(qū)動(dòng)模擬圖，警報(bào)顯示和趨勢(shì)圖。在許多安裝中，HMI是操作員的圖形用戶(hù)界面，收集來(lái)自外部設(shè)備的所有數(shù)據(jù)，創(chuàng)建報(bào)告，執(zhí)行報(bào)警，發(fā)送通知等。

模擬圖由用來(lái)表示過(guò)程元素的線(xiàn)圖和示意符號(hào)組成，或者可以由工藝設(shè)備的數(shù)字照片覆蓋動(dòng)畫(huà)符號(hào)組成。

工廠(chǎng)的監(jiān)督操作是通過(guò)HMI進(jìn)行的，操作員使用鼠標(biāo)指針，鍵盤(pán)和觸摸屏發(fā)出命令。例如，泵的符號(hào)可以向操作員顯示泵正在運(yùn)行，并且流量計(jì)符號(hào)可以顯示通過(guò)管道泵送了多少流體。操作員可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊或屏幕觸摸從模擬器切換泵。 HMI將顯示管道中流體的流量實(shí)時(shí)減少。

SCADA系統(tǒng)的HMI包通常包含一個(gè)繪圖程序，操作員或系統(tǒng)維護(hù)人員用來(lái)改變這些點(diǎn)在接口中的表示方式。這些表示可以像在屏幕上的交通燈一樣簡(jiǎn)單，其代表現(xiàn)場(chǎng)中實(shí)際交通燈的狀態(tài)，或者像代表摩天大樓中所有電梯的位置的多投影儀顯示器一樣復(fù)雜，或者全部火車(chē)上的火車(chē)。

“歷史記錄”是HMI中的一項(xiàng)軟件服務(wù)，它在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)帶時(shí)間戳的數(shù)據(jù)，事件和報(bào)警，可以查詢(xún)或用于填充HMI中的圖形趨勢(shì)。歷史學(xué)家是從數(shù)據(jù)采集服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)的客戶(hù)端 。

SCADA系統(tǒng)硬件

通常SCADA系統(tǒng)分為兩個(gè)層面，即客戶(hù)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器與硬件設(shè)備通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算。而客戶(hù)用于人機(jī)交互，如用文字、動(dòng)畫(huà)顯示現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)，并可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)、閥門(mén)進(jìn)行操作。還有一種“超遠(yuǎn)程客戶(hù)”，它可以通過(guò)Web發(fā)布在Internet上進(jìn)行監(jiān)控。硬件設(shè)備(如PLC)一般既可以通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)方式連接，也可以以總線(xiàn)方式連接到服務(wù)器上。點(diǎn)到點(diǎn)連接一般通過(guò)串口(RS232)，總線(xiàn)方式可以是RS485，以太網(wǎng)等連接方式。

SCADA系統(tǒng)軟件

SCADA由很多任務(wù)組成，每個(gè)任務(wù)完成特定的功能。位于一個(gè)或多個(gè)機(jī)器上的服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理（如量程轉(zhuǎn)換、濾波、報(bào)警檢查、計(jì)算、事件記錄、歷史存儲(chǔ)、執(zhí)行用戶(hù)腳本等）。服務(wù)器間可以相互通訊。有些系統(tǒng)將服務(wù)器進(jìn)一步單獨(dú)劃分成若干專(zhuān)門(mén)服務(wù)器，如報(bào)警服務(wù)器，記錄服務(wù)器，歷史服務(wù)器，登錄服務(wù)器等。各服務(wù)器邏輯上作為統(tǒng)一整體，但物理上可能放置在不同的機(jī)器上。分類(lèi)劃分的好處是可以將多個(gè)服務(wù)器的各種數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、分工協(xié)作，缺點(diǎn)是效率低，局部故障可能影響整個(gè)系統(tǒng) 。

SCADA系統(tǒng)通信

SCADA系統(tǒng)中的通信分為內(nèi)部通信、與I/O設(shè)備通信、和外界通信?？蛻?hù)與服務(wù)器間以及服務(wù)器與服務(wù)器間一般有三種通信形式，請(qǐng)求式，訂閱式與廣播式。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與I/O設(shè)備通訊一般采用請(qǐng)求式，大多數(shù)設(shè)備都支持這種通訊方式，當(dāng)然也有的設(shè)備支持主動(dòng)發(fā)送方式。SCADA通過(guò)多種方式與外界通信。如OPC，一般都會(huì)提供OPC客戶(hù)端，用來(lái)與設(shè)備廠(chǎng)家提供的OPC服務(wù)器進(jìn)行通訊。因?yàn)镺PC有微軟內(nèi)定的標(biāo)準(zhǔn)，所以O(shè)PC客戶(hù)端無(wú)需修改就可以與各家提供的OPC服務(wù)器進(jìn)行通訊。